守恒思想與微觀模型相結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)思維素養(yǎng)

摘?要：學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律不僅涉及物質(zhì)質(zhì)量的宏觀變化，而且還要從化學(xué)反應(yīng)的微觀角度認(rèn)識守恒的原因。在教學(xué)中逐步滲透“守恒思想”，讓學(xué)生能用化學(xué)的思維去看待化學(xué)變化，認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)。化學(xué)與其他學(xué)科最大的不同就是深入物質(zhì)內(nèi)部，從微觀角度看待物質(zhì)的構(gòu)成，認(rèn)識物質(zhì)變化的實(shí)質(zhì)，建立宏觀、微觀和符號之間的聯(lián)系是化學(xué)學(xué)科的主要特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：宏觀辨識;微觀探析;質(zhì)量守恒

初中的化學(xué)是啟蒙教育，帶學(xué)生從化學(xué)的視角認(rèn)識身邊的物質(zhì)及其性質(zhì)、了解構(gòu)成物質(zhì)的微粒、物質(zhì)間的轉(zhuǎn)變關(guān)系、化學(xué)的基礎(chǔ)思想方法等，化學(xué)與其他科學(xué)學(xué)科最大的不同就是：化學(xué)學(xué)習(xí)深入到物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從微觀角度看待物質(zhì)的構(gòu)成、認(rèn)識物質(zhì)變化的實(shí)質(zhì)。從化學(xué)角度認(rèn)識看待物質(zhì)，既要從宏觀現(xiàn)象進(jìn)行描述，還要能用微觀過程來解釋，最后還要用符號表征表示出這一變化。化學(xué)學(xué)科的重要特點(diǎn)之一就是建立宏觀、微觀和符號之間的聯(lián)系。初中化學(xué)的學(xué)科核心素養(yǎng)之一就是“宏觀辨識與微觀探析”，在培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的化學(xué)思維思考解決問題的同時，能建立微觀的模型認(rèn)知，用化學(xué)思維來分析解決問題。

初中化學(xué)研究的核心內(nèi)容之一是化學(xué)變化。在化學(xué)變化，參加反應(yīng)的反應(yīng)物的質(zhì)量總和等于生成物的質(zhì)量總和，化學(xué)反應(yīng)遵守質(zhì)量守恒定律。守恒思想反映了在物質(zhì)及其變化的本質(zhì)屬性和內(nèi)在規(guī)律，是形成化學(xué)學(xué)科核心觀念必備的知識。初中階段主要認(rèn)識反應(yīng)過程的“質(zhì)量守恒”，同時也為高中學(xué)習(xí)“得失電子守恒”“反應(yīng)過程電荷守恒”“能量守恒”等打下基礎(chǔ)。

最近幾年的中考試題中的微觀考題，常常將守恒思想與微觀模型相結(jié)合，下面就以2020年全國各地的中考試題為例，進(jìn)行分析。

類型一：以微觀模型表示化學(xué)反應(yīng)的過程

例題1?（廣東深圳）我國化學(xué)家研究出一種新型催化劑，在太陽光照射下實(shí)現(xiàn)了水的高效分解。該反應(yīng)過程的微觀示意圖如圖：

下列說法錯誤的是（?）

A. 表示的物質(zhì)屬于氧化物

B. 反應(yīng)Ⅰ的化學(xué)方程式為H2O催化劑H2O2+O2↑

C. 反應(yīng)Ⅱ中，反應(yīng)前后原子的種類和數(shù)目均不變

D. 該成果對氫能源的推廣應(yīng)用有重要的實(shí)踐意義

解析：A. 從右側(cè)的原子示意圖，可以推知分子結(jié)構(gòu)模型表示的物質(zhì)是水，水是由氫氧兩種元素組成的，屬于氧化物，因此A選項(xiàng)說法正確;

B. 由微觀反應(yīng)示意圖可知，反應(yīng)Ⅰ的化學(xué)方程式為2H2O催化劑H2O2+H2↑，B選項(xiàng)說法錯誤;

C. 由質(zhì)量守恒定律可知，化學(xué)反應(yīng)前后原子的種類和數(shù)目均不變，C選項(xiàng)說法正確;

D. 該反應(yīng)在太陽能和催化劑的作用下可由水制備出氫氣，對氫能源的推廣應(yīng)用有重要的實(shí)踐意義。因此D選項(xiàng)說法正確。

試題通過微觀粒子的過程反應(yīng)模型圖，考查了從微觀角度對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識。通過微觀反應(yīng)示意圖把宏觀物質(zhì)和微觀粒子聯(lián)系起來，從微觀的角度分析物質(zhì)的變化原理是正確解答此類題的關(guān)鍵。解題的突破口是根據(jù)圖示正確判斷反應(yīng)物與生成物，遵守質(zhì)量守恒定律中宏觀的“元素種類和質(zhì)量不變”，微觀的“原子種類、個數(shù)、質(zhì)量不變”的原則。讓學(xué)生能逐步樹立“在變化過程遵循原子的三個不變”這一微觀守恒觀念，學(xué)會用微觀的思維思考化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。

類型二：通過微觀模型判斷物質(zhì)或相關(guān)反應(yīng)的量

例題2?（重慶A卷）工業(yè)生產(chǎn)硫酸中的某一步反應(yīng)用微觀模型圖表示如下，下列說法正確的是（?）

A. 反應(yīng)前后硫元素的化合價從+2價變成+3價

B. 參加反應(yīng)的反應(yīng)物間分子個數(shù)比是1∶1

C. 反應(yīng)前后分子數(shù)目不變

D. 該反應(yīng)屬于化合反應(yīng)

解析：從右側(cè)的原子示意圖可以判斷，反應(yīng)前的框中有兩種分子，二氧化硫分子和氧分子，反應(yīng)后的框中也有兩種分子，三氧化硫分子和氧分子。

A. 反應(yīng)前二氧化硫中硫?yàn)?4價，反應(yīng)后變?yōu)槿趸颍蝻@+6價，因此A選項(xiàng)錯誤;

B. 要判斷參加反應(yīng)的反應(yīng)物分子個數(shù)比，從反應(yīng)前后微粒圖可以判斷，反應(yīng)前有2個氧分子，反應(yīng)后還剩余1個氧分子，則參加反應(yīng)的氧分子個數(shù)只有1個，所以二氧化硫分子與氧分子個數(shù)比為2∶1，因此B選項(xiàng)錯誤;

C. 反應(yīng)前有4個分子，反應(yīng)后分子有3個，數(shù)目發(fā)生了改變，因此C選項(xiàng)錯誤;

D. 二氧化硫和氧氣反應(yīng)生成三氧化硫?qū)儆诨戏磻?yīng)，因此D選項(xiàng)正確。

例題3?（貴州安順節(jié)選）在宏觀、微觀和符號之間建立聯(lián)系是化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)。

（2）近年來，我國科研人員在“甲烷二氧化碳重整和Ni基催化劑”的研究方面取得突破。如圖是甲烷與二氧化碳反應(yīng)的微觀示意圖。

①在框內(nèi)補(bǔ)充C的微觀模型圖?。

②該反應(yīng)利用兩種溫室氣體，兼具環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價值;反應(yīng)難點(diǎn)之一是破壞甲烷分子、二氧化碳分子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，分為?（填微粒名稱）并重新組合。

③寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式?。

解析：（1）①根據(jù)不同原子的圖示可以判斷，A是1個甲烷分子，B是1個二氧化碳分子，D是2個一氧化碳分子。則根據(jù)質(zhì)量守恒定律，反應(yīng)前后原子的個數(shù)不變可知，反應(yīng)前有2個碳原子、4個氫原子、2個氧原子，反應(yīng)后有2個碳原子、2個氧原子，還少了4個氫原子。則C物質(zhì)為兩個氫分子。故答案為：;②化學(xué)變化的微觀實(shí)質(zhì)是分子分裂、原子重組。該過程是甲烷分子分裂成碳原子、氫原子，二氧化碳分子分裂成碳原子、氧原子，每兩個氫原子重新組合形成氫分子，一個碳原子和兩個氧原子結(jié)合生成一氧化碳分子。故答案為：氫原子、碳原子、氧原子;③根據(jù)題②的分析可知，該反應(yīng)是甲烷和二氧化碳在催化劑的催化作用下反應(yīng)生成氫氣和一氧化碳。則反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CH4+2O2催化劑2H2+2CO。

這兩道題通過反應(yīng)前后的物質(zhì)微觀圖對反應(yīng)過程物質(zhì)量的關(guān)系、物質(zhì)種類、反應(yīng)類型等進(jìn)行考查。在判斷的時候，除了緊扣住反應(yīng)前后各原子種類不變，個數(shù)不變，質(zhì)量不變，還要注意質(zhì)量守恒概念中的幾個關(guān)鍵詞，如“參加反應(yīng)”“質(zhì)量總和”“相等”。

從今年的中考試題中可以看出，微觀題型的考查常常與質(zhì)量守恒定律相結(jié)合，題型變化不僅體現(xiàn)化學(xué)中的“宏觀辨識”——判斷物質(zhì)的類別、組成、反應(yīng)類型、對生產(chǎn)生活實(shí)際意義，而且也體現(xiàn)“微觀辨析”——物質(zhì)構(gòu)成的微粒個數(shù)比、化合價判斷、參加反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量比、化學(xué)式判斷等。將“守恒思想”貫穿題目中，體現(xiàn)宏觀角度的“元素種類、質(zhì)量不變”，微觀角度的“原子種類、個數(shù)、質(zhì)量不變”。

在微觀教學(xué)中，除了用模型思想讓學(xué)生逐漸樹立微粒觀念外，還可以在教學(xué)中滲透化學(xué)史教學(xué)，讓學(xué)生逐漸梳理“微粒形成”“質(zhì)量守恒”的化學(xué)思想，在學(xué)習(xí)中用化學(xué)的思維去看待變化，解決問題。例如在《分子》教學(xué)中，可以從古代莊子提出的“一尺之椎，日取其半，萬世不竭”說起。在《原子》教學(xué)中，可以從公元前5世紀(jì)古希臘的德謨克利特提出的原子學(xué)說，到1803年道爾頓提出“原子論”，再到1811年阿伏伽德羅提出的“分子學(xué)說”。通過科學(xué)家對物質(zhì)構(gòu)成的微粒不斷認(rèn)識與探索過程，學(xué)生可以深刻感受到科學(xué)的進(jìn)步發(fā)展。

在“質(zhì)量守恒定律”的教學(xué)過程中，通過課堂設(shè)計(jì)的“探究實(shí)驗(yàn)”讓學(xué)生感受質(zhì)量守恒定律，但不是為了“發(fā)現(xiàn)”質(zhì)量守恒定律，而是要深刻理解、認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系。課堂教學(xué)更應(yīng)該側(cè)重分析和推導(dǎo)，在計(jì)算反應(yīng)物、生成物的質(zhì)量時，應(yīng)該是參加反應(yīng)的反應(yīng)物的總質(zhì)量、所有生成物的總質(zhì)量，不能遺漏任何一種反應(yīng)物和生成物質(zhì)量，特別是氣體狀態(tài)的物質(zhì)，這是經(jīng)常被忽略的;同時還有注意的是參加反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量才能計(jì)算，而參加反應(yīng)的過量的物質(zhì)、雜質(zhì)等不能將其質(zhì)量計(jì)算在內(nèi)。在教學(xué)中不僅要引導(dǎo)學(xué)生從定量的角度加深對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識，還要從微觀的角度去進(jìn)行宏觀現(xiàn)象的解釋。質(zhì)量守恒定律不僅涉及物質(zhì)質(zhì)量宏觀變化，而且還要從化學(xué)反應(yīng)的微觀角度認(rèn)識學(xué)習(xí)。在教學(xué)中逐步滲透“守恒思想”，讓學(xué)生能用化學(xué)的思維去看待化學(xué)變化，認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)。

在平常的教學(xué)中，應(yīng)該通過宏觀現(xiàn)象與微觀結(jié)構(gòu)模型，架起宏觀與微觀的橋梁，將守恒思想貫穿于物質(zhì)變化過程;通過化學(xué)特有的微觀視角看待化學(xué)變化，培養(yǎng)學(xué)生用化學(xué)思維以及所學(xué)化學(xué)知識解決問題的能力，讓初中學(xué)生通過一年的化學(xué)學(xué)習(xí)具備基本的化學(xué)核心素養(yǎng)。

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作者簡介：張彥，福建省福州市，福建省福州第十九中學(xué)。